nano robôs
Distribuição Gratuita - nº 11 | Abr / Mai 2015
Vai além da sala de aula
A N D de
GAME OF DRONES
ciência, tecnologia e legislação para veículos aéreos não tripulados página 5
REATORES DE TÓRIO usinas nucleares mais limpas e seguras página 15
VÍCIO EM AÇÚCAR a fisiologia do doce no organismo página 3
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Açúcar, um prazer
viciante texto por Raisa Jakubiak
A
lguns comportamentos do ser humano não são só instintivos, mas também prazerosos. Isso acontece como um “incentivo” para que ações como alimentar-se ou fazer sexo sejam repetidas, garantindo não só a sobrevivência dos indivíduos, mas também da espécie como um todo. Afinal, quem toparia ir naquele churrasco de domingo, sabendo tudo o que vai acontecer depois, sem nenhuma recompensa? E é isso o que o açúcar é: uma recompensa natural. Nossos ancestrais aprenderam a interpretar gostos como sendo diferentes sinais enviados pelos alimentos encontrados na natureza. Tipicamente, enquanto o gosto azedo indica que o alimento, como uma fruta, ainda não está maduro, ou o gosto amargo pode ser um alerta de “Cuspa isso já, é venenoso!”, alimentos doces são naturalmente identificados como uma boa fonte de carboidratos – que, apesar de tratados como vilões por dietas restritivas como a Atkins, são fundamentais para o bom funcionamento do organismo. É natural que algumas pessoas tenham preferências diferentes das outras, mas a grande maioria de nós encara um docinho como uma agradável recompensa.
A fisiologia do doce prazer
Através das eras, o processo evolutivo favoreceu o desenvolvimento do que chamamos de sistema mesolímbico, ou via mesolímbica, que é responsável por modular e interpretar os estímulos naturais que entendemos como recompensa. Basicamente, quando realizamos alguma atividade prazerosa, um feixe de neurônios chamado de área tegmental ventral usa a dopamina, um neurotransmissor que é o precursor natural da adrenalina, como sinalizador para uma parte do cérebro
Você com certeza deve saber que açúcar em excesso faz mal. Mas você sabia que, além de trazer malefícios à saúde, o doce pode ser tão viciante quanto cocaína? Isso mesmo: vício em açúcar. O açúcar torna o indivíduo dependente ao “sequestrar” a via de recompensa do cérebro. Evidências neuroquímicas e comportamentais recentes mostram como o açúcar atua no organismo transformando um prazer palativo em dependência.
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chamada de núcleo accumbens. E é a conexão entre o núcleo accumbens e o córtex pré-frontal medial que vai decidir qual será o seu próximo passo: “Será que como mais um desses mil folhas com esse recheio de creme maravilhoso?”. O córtex pré-frontal medial é o responsável também por ativar hormônios que fazem com que você decida se algo é bom ou não, guardando esta informação para estímulos futuros.
Açúcar adicionado
Nossos ancestrais comiam frutas, raízes e batatas doces como recompensas. Mas o que comemos hoje? A verdade é que, além do açúcar natural dos alimentos, há açúcar adicionado em quase todos os produtos industrializados que ingerimos – mesmo que ele seja salgado. A vida corrida e dinâmica que a maioria da população enfrenta torna a escolha da alimentação, na maioria das vezes, mais inclinada à praticidade do que à qualidade. Chegar em casa cansado e ainda ter de preparar uma refeição é algo impensável para muitos. Além disso, mesmo que você corte ou diminua os doces esperando emagrecer, fugir dos açúcares adicionados não é tarefa fácil. Assim como conservantes, hoje em dia é muito difícil encontrar alimentos processados que não contenham nenhuma forma de açúcar adicionado. É quando consumimos este açúcar sem perceber que ele se torna o vilão: nos tornamos dependentes às escuras. Assim como a nicotina e a cocaína, o açúcar dispara a liberação de dopamina no núcleo accumbens. A longo prazo, o consumo regular de açúcar literalmente muda a expressão de determinados genes e a disponibilidade de receptores de dopamina tanto do mesencéfalo quanto do córtex frontal. O que acontece especificamente é que o açúcar aumenta a concentração de um tipo de receptor excitatório chamado D1, porém diminui o número de receptores inibitórios D2. Outra consequência trazida pela ingestão regular de açúcares é a inibição da atividade da proteína transportadora de dopamina, que bombeia o neurotransmissor para fora das sinapses e de volta ao neurônio após disparar. Resumindo, o acesso contínuo a açúcar leva, em longo prazo, à sinalização prolongada de dopamina, grande excitação das vias de recompensa do cérebro e uma necessidade de “doses” cada vez maiores de açúcar para que todos os receptores do mesencéfalo sejam ativados como antes. Assim como em dependentes químicos, a pessoa necessita cada vez de mais açúcar para atingir o mesmo prazer de comer do que antes. Desta maneira, como os açúcares adicionados estão disfarçados em quase todos os alimentos industrializados, é compreensível que seja tão difícil abandonar certos hábitos, perder peso e vencer a compulsão por açúcar já que, diferente do vício por drogas, o cérebro está sendo estimulado a cada refeição, muitas vezes sem sabermos – a bolacha água e sal, que teoricamente é salgada e é queridinha de quem faz dieta, está recheada deles.
substância viciante predispõe alguém a se viciar em outra). Todos estes componentes foram observados tanto em modelos animais com vício desenvolvido em drogas quanto em açúcar. Em um dos experimentos, ratos eram mantidos sem comida 12 horas por dia. Durante as 12 horas seguintes, os animais tinham acesso a uma solução açucarada e ração comum. Depois de um mês deste processo, os ratos passaram a mostrar comportamentos similares aos de abuso de drogas, como uma compulsão pela solução açucarada muito maior do que pela ração. Eles também mostraram sintomas de ansiedade e depressão durante o período de privação de comida. Outros comportamentos curiosos foram observados em outros experimentos, similares aos da depressão. Quando submetidos a um teste onde precisavam nadar para voltar a uma situação de conforto, ratos com abstinência de açúcar tendiam a apresentar comportamentos mais passivos do que ativos. Eles ficavam lá apenas boiando, ao invés de tentar escapar. Este comportamento passivo sugere sentimentos de desamparo e falta de esperança, típicos de um perfil depressivo. Finalmente, um novo estudo publicado pela equipe de Victor Mangabeira no Physiology & Behavior indica que privação de açúcar também pode levar a comportamentos compulsivos. No estudo, alguns ratos eram treinados a receber água apertando uma alavanca. Após o treinamento, os animais foram relocados em suas jaulas e tinham acesso tanto a água pura quanto a uma solução açucarada. Após 30 dias, os animais foram novamente estimulados a pressionar uma alavanca para receber água, e o resultado chama a atenção pela similaridade com o comportamento humano: os ratos que se tornaram dependentes de açúcar pressionavam a alavanca muito mais vezes do que os ratos do grupo de controle, o que sugere ansiedade e comportamento impulsivo. Além de estarem ansiosos para ingerir açúcar, os ratos viciados consumiram muito mais do que precisavam para sobreviver. Apesar extremos, já que não nos submetemos a 12 horas de privação de alimentação e depois nos acabamos de tomar refrigerantes e comer bolo no fim do dia (pelo menos não a maioria de nós) e nem precisamos ficar apertando uma alavanca para receber alimentos, esses estudos certamente trazem novas evidências, com dados alarmantes, dos traços da dependência de açúcar no organismo. A parte assustadora é que não se pode negar que os resultados são muito semelhantes ao que observamos em pessoas que chamamos de “formigas”. ■ Fontes: »» Jordan Gaines Lewis, “Here’s what happens to your brain when you give up sugar for Lent”, The Conversation (2015) »» USA National Institute of Drug Abuse - http://www.drugabuse.gov/ »»Added Sugar in the Diet, Harvard School of Public Health »»Avena NM1, Rada P, Hoebel BG. , “Evidence for sugar addiction: behavioral and neurochemical effects of intermittent, excessive sugar intake”, Neurosci Biobehav Rev. 32, p 20-39 (2008)
Abstinência e evidências comportamentais
Há componentes principais no vício: a compulsão, abstinência, desejo e sensibilização cruzada (a noção de que uma
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»» Mangabeira V., Garcia-Mijares M., Silva MT., “Sugar withdrawal and differential reinforcement of low rate (DRL) performance in rats” Physiol Behav. 139, p 468-73 (2015)
Oferecimento
of ame G
Drones texto por André Sionek
O uso comercial e científico de Veículos Aéreos Não Tripulados começou a ganhar força novamente na última década com o barateamento das tecnologias utilizadas nas aeronaves. As violentas lutas jurídicas entre cientistas, empreendedores, órgãos reguladores e outras famílias nobres para ter controle sobre uma pequena porção do espaço aéreo, parecem ser a principal barreira para a proliferação dos drones. Enquanto isso, nas regiões desconhecidas ao norte da Muralha e nos continentes ao leste, novas tecnologias começam a surgir.
O
s primeiros experimentos científicos com veículos aéreos não tripulados (Vants) - popularmente chamados de drones começaram na década de 70, quando a Agência Espacial Americana (NASA) desenvolveu modelos customizados para a pesquisa em grandes altitudes. Apesar dos esforços na época, as aeronaves não tripuladas equipadas com sensores de ponta eram muito caras, e as versões mais simples não serviam para o propósito da maioria das aplicações. Durante a última década, entretanto, a queda nos preços desses equipamentos e os avanços tecnológicos - desde a utilização de navegação a bordo utilizando o Sistema de Posicionamento Global (GPS) até a miniaturização dos pilotos automáticos - têm estimulado vários grupos de pesquisa a realizar experimentos com drones. No final de setembro de 2014, por exemplo, a Administração Oceânica e Atmosférica Nacional
(NOAA), nos EUA, se preparou para dar uma olhada no interior do furacão Edouard enquanto ele avançava pelo Oceano Atlântico. Os caçadores de furacões da NOAA, entretanto estes que têm voado para dentro de tempestades por décadas - tiveram que ficar em casa: a agência resolveu enviar drones. Durante o voo de mais de uma hora nos ventos do furacão, os drones "Coyote", com quatro metros de envergadura, transmitiram dados sobre temperatura, pressão e vento a uma altitude abaixo de 900 metros - onde aeronaves tripuladas não poderiam voar com segurança - de volta para o Centro Nacional de Furacões da NOAA em Miami. Um deles até orbitou brevemente na parede formada pelos ventos intensos em torno do olho do furacão antes de cair no oceano. As aeronaves não tripuladas já oferecem uma maneira eficiente de coletar dados e realizar importantes avanços em pesquisas nos
pólos, vulcões, tempestades e também sobre a vida selvagem em locais de difícil acesso. Drones relativamente baratos com capacidades de imageamento e sensores avançados também têm ajudado a aumentar a produtividade e a reduzir os danos em plantações. Algumas empresas de varejo já têm trabalhado inclusive no desenvolvimento de Vants que realizarão entregas de encomendas no ambiente urbano. O que fica no caminho para o uso mais amplo de drones são alguns desafios técnicos e, principalmente, os jurídicos. Os pesquisadores tentam melhorar a sua autonomia, capacidade de manobra e resistência, mas as leis de muitos países colocam limites estritos sobre onde e como essas aeronaves podem ser utilizadas. Se essas leis forem afrouxadas, e há sinais de que serão, robôs científicos voadores provavelmente começarão a ir para o céu em maior número.
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Legislação
Os drones parecem estar em todos os lugares, mas não em ambientes externos. Embora tenham aplicação diversificada, a falta de regulamentação implica em uma série de restrições à operação destas aeronaves no país. Elas são classificadas e regulamentadas conforme o propósito de uso: para lazer, hobby, esporte ou competição, o equipamento é visto como um aeromodelo. Contudo, o aparelho passa a ser entendido como um Vant se possuir qualquer carga útil embarcada não necessária para o voo (uma câmera, por exemplo). Para voar com os equipamentos em ambientes externos, seja para fins comerciais ou de pesquisa, tanto nos Estados Unidos quanto no Brasil, é preciso fazer uma solicitação formal para os órgãos reguladores, tais como a Agência Nacional de Aviação Civil (Anac) ou a Administração Federal de Aviação (FAA), nos EUA. A Anac já sinalizou que pretende permitir voos de drones de
até 25 quilos em lugares públicos a até 120 metros de altitude com regras facilitadas. A nova legislação dará mais flexibilidade e agilidade no uso de Vants, o que deve influenciar diretamente na sua comercialização e utilização no Brasil. Nos Estados Unidos, obter uma autorização para voar um drone demora, em média, 60 dias. Uma vez obtida, o grupo pode voar com a aeronave durante o dia por um ou dois anos, contanto que notifiquem a FAA com antecedência todas as vezes que quiserem voar. A boa notícia é que, contanto que não ocorram acidentes, o consenso parece ser de que as legislações devem afrouxar.
Privacidade
Os problemas jurídicos não se limitam a regras sobre como e onde os drones poderão voar: as oportunidades de aplicações, e as potenciais violações de privacidade, parecem infinitas. Eles podem monitorar vida selvagem em extinção, lançar
mísseis, mapear florestas e filmar casamentos, mas também podem voar sobre uma vizinhança ou simplesmente pairar do lado de fora de uma janela de um quarto. Já foram construídos drones não muito maiores do que insetos; e uma vez que as baterias fiquem pequenas o suficiente, eles podem, literalmente, virar mosquitos na parede. O que os torna tão poderosos é também uma das coisas que os torna mais encantadores: câmeras. Quando você voa um drone, de repente, a realidade - em grosseiras duas dimensões - a que você estava acostumado ganha uma dimensão a mais, e é possível observar o mundo do ponto de vista da aeronave diretamente na tela do seu computador, tablet e até mesmo smartphone. Essa liberdade está mudando muitos negócios. Cineastas rotineiramente usam drones para capturar cenas de perseguição que nunca poderiam ser filmadas antes. Engenheiros podem inspecionar
USO M ILITAR E CIVIL um drone Global Hawk, fabricado pela Northrop Grumman, a NASA ganhou um da força aérea americana. A agência tem conduzido pesquisas de clima e furacões com o Vant que pode voar a 20 quilômetros de altura - muito mais alto do que os aviões comerciais voam. A maior parte dos cientistas tem que se contentar com sistemas muito menores e mais baratos. Uma aeronave de asas fixas controlada por rádio pode ser comprada por alguns milhares de dólares. Já um helicóptero com quatro
Foto: Shutterstock
O uso de drones pelas forças militares americanas para caçar inimigos gerou bastante polêmica nos últimos anos. Em virtude do caráter secreto das operações em que são empregadas, principalmente pelos Estados Unidos, informações imprecisas e até contraditórias alimentam discussões, porém, algumas destas aeronaves também têm sido utilizadas para ciência. Enquanto os cientistas interessados devem estar preparados para desembolsar 20 milhões de dólares para comprar
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rotores (quadricóptero) custa cerca de 300 dólares; anexe alguns sensores, um autopiloto e um controlador tão simples quanto um Arduíno, que você terá um Vant para pesquisas. Apesar das diferenças nos equipamentos, os programas militar e civil de pesquisa em drones estão muito relacionados, com avanços circulando nas duas direções. Muitos dos programas universitários de pesquisas em Vants são financiados pelas forças armadas.
pontes e edifícios sem ter que fazer escaladas arriscadas. As empresas de distribuição de energia, por exemplo, têm desenvolvido drones para inspecionar linhas de transmissão e instalações de usinas comumente localizadas em regiões públicas. O seu uso reduz drasticamente o risco pessoal de colocar funcionários para realizar essas inspeções; além disso, há um aumento na eficiência dessas inspeções, visto que um Vant pode realizá-las de forma muito mais rápida. Cidadãos americanos, por exemplo, foram condenados por plantar maconha no próprio quintal com base em observações feitas a partir de aviões, pois a Suprema Corte concluiu que ninguém é dono das vias aéreas e que qualquer um pode tirar fotografias em espaços públicos. Do outro lado, uma lei recentemente proposta na Califórnia tornaria ilegal que paparazzi utilizassem drones para tirar fotos de celebridades dentro de suas propriedades. A Administração Federal de Aviação dos Estados Unidos está produzindo novas leis que devem limitar onde e como drones comerciais podem voar; acredita-se que elas podem até ajudar a proteger a privacidade em alguns casos. Muitos outros países também estão discutindo sobre como balancear liberdade e privacidade com a proliferação dos Vants. Entretanto, a implementação de tais leis pode aparentemente proteger os cidadãos, mas também pode potencialmente conter avanços no uso industrial de drones. Toda nova tecnologia traz certos riscos, o importante é aprendermos a gerenciá-los ao mesmo tempo que aprendemos a fazer bom uso dela. E por mais que pareça assustador ser observado por uma aeronave controlada por outros, existem tecnologias que levantam questões muito mais sérias sobre privacidade, como os telefones celulares e o uso dos dados coletados pelos aplicativos que rodam neles.
A ideia de um drone pairando do lado de fora da janela de um quarto pode assustar muita gente, mas existem tecnologias que levantam questões muito mais sérias sobre privacidade: como os telefones celulares e o uso dos dados coletados pelos aplicativos. Foto: Mike Segar/Reuters/Corbis
M EASURING VOLCANIC ACTIVITIES In 1984, the volcano Mauna Loa erupted in Hawaii. The only way that geologists had to observe and collect measurements from the lava flow, was by flying an helicopter into the turbulent air from the 800 °C lava. Making data collection difficult and even dangerous. It is risky for any jet airplanes to fly into a volcanic plume, because their blades become clogged with melted ash. Researchers who study volcanoes, as well as aviation safety experts, rely mostly on infrared data collected by satellites to determine the thickness and density of an ash plume. Thats why scientists wants to use unmanned aerial vehicles (UAVs), that fly in the ash to get more accurate data from the volcano. In march 2015, half-dozen Dragon Eye UAVs have flown into the volcanic plume of the Turrialba volcano near San Jose in Costa Rica. The small electric drone, that is also used by the military in some reconnaissance missions, can only carry a payload of 500 grams, but the researchers managed to fit two cameras, a sulfur dioxide sensor, a particulate sensor, a nanoparticle counter, and a vacuum bottle that sucks up ash and gas samples into the UAVs. By flying multiple UAVs at once, the risk to human life was lessened and the scientists could track the chemical characteristics of many spots in the gas and ash clouds simultaneously. NASA used the measurements of sulphur dioxide collected by the drones to compare with those made by the Terra satellite in order to calibrate the space-based readings. These data may help the development of models that predict volcanic activity and damage. They are also planning experiments to study how the chemistry of plumes change over time, and with increased distance from a volcano. Data that could aid in decisions regarding where aircrafts can safely fly.
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(in)Segurança
Para pilotar um Vant com segurança são necessários essencialmente três tipos de conexão sem fio: o sinal de entrada de navegação que vem dos satélites do Sistema de Posicionamento Global; um ou mais sinais para notificar e ser notificado sobre outras aeronaves nas proximidades, e uma conexão de duas vias entre o solo e a aeronave. A violação de qualquer um desses canais de comunicação pode significar desastre, e até hoje não há soluções claras para mantê-las protegidas. Um drone que utiliza GPS sempre tem a sua navegação complementada por sensores inerciais de orientação, magnetômetros, altímetros e até mesmo câmeras. Porém, ao contrário desses outros dispositivos, o receptor GPS funciona em todas as condições meteorológicas com precisão, fazendo com que seja uma peça fundamental. Porém o GPS civil é de livre acesso e não criptografado, ao contrário da versão militar. Embora ela seja muito popular, não possui qualquer forma de autenticação, dando origem a uma perigosa fraqueza: um sinal falso pode facilmente substituir o real. Outra possibilidade seria um sequestrador explorar falhas de segurança nas transmissões de rádio entre o piloto e a aeronave. Ao enviar sinais falsos ou bloquear a linha de comunicação, um hacker pode alterar a trajetória de um drone fazendo com que colida contra o
solo ou até mesmo outra aeronave. Os Vants criaram desafios que as agências reguladoras parecem estar mal preparadas para enfrentar. As funções de órgãos como a Anac, no Brasil, e FAA, nos EUA, deverão ser estendidos para além do papel tradicional de evitar a colisão de aeronaves: alguns passos técnicos e legais ainda precisam ser tomados para garantir que os sinais que controlam as aeronaves estejam protegidos contra malfeitores que queiram assumir o seu controle.
Pesquisas em Drones
Por enquanto, a maior parte dos pesquisadores trabalha para melhorar as tecnologias de drones, deixando-os mais ágeis, autônomos e melhor preparados para trabalhar em grupos. A autonomia requer um conjunto de algoritmos para interpretar dados dos sensores e tomar decisões sobre onde voar, assim como classificar os objetos capturados pelas suas câmeras. Toda essa computação tem que ser realizada em tempo real, dentro de pequenos processadores embarcados na aeronave. Uma área de interesse é o desenvolvimento de navegação baseada em visão computacional, o que possibilitaria a navegação em áreas urbanas ou internas, onde a precisão do GPS é insuficiente ou o sinal inexistente. Uma das possíveis aplicações é na busca de sobreviventes em edifícios danificados por terremotos.
Uma coluna de cinzas e fumaça sai do vulcão Turrialba, na Costa Rica, em março de 2015. Coletar dados sobre a erupção com uma aeronave tripulada é perigoso e pouco eficiente. Pequenos drones elétricos foram utilizados para estudar as características químicas da nuvem. Foto: AP Photo/Grupo Nacion, Alonso Tenorio
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Neste caso, o Vant precisará desviar de vigas, janelas fechadas e outros obstáculos. Para realizar uma tarefa como essa, a aeronave requer um complexo sistema de câmeras, giroscópios e acelerômetros para descobrir onde está - e onde os obstáculos estão. Um time da Universidade de Oxford, no Reino Unido, ensinou drones equipados com câmeras olho de peixe a se localizar. Os algoritmos do robô conseguem identificar a linha do horizonte e então estimar a sua altitude e orientação. O time está desenvolvendo algoritmos semelhantes para voos urbanos, reconhecendo as linhas verticais e horizontais de prédios e ruas para auxiliar na navegação. Para manter baixos tanto o peso quanto o custo do equipamento, geralmente os drones são pequenos e têm pouca capacidade de combustível, o que significa voos curtos. Alguns grupos de pesquisa estão trabalhando para miniaturizar baterias, ou para criar aeronaves movidas a energia solar, enquanto outros querem desenvolver aeronaves inteligentes que aproveitam correntes de ar ascendentes e outras características do vento. Na internet é possível encontrar vários vídeos que demonstram as capacidades de pequenos Vants. Um dos mais famosos no YouTube, com quase quatro milhões de visualizações, foi gravado pelo do grupo de pesquisa do professor Vijay Kumar, da Universidade
Drones agricultores viraram uma ferramenta semelhante a qualquer outro dispositivo eletrônico. A ideia é irrigar menos e usar menos pesticidas nas plantações. Mais e melhores informações podem reduzir o uso de água e a carga de produtos químicos no ambiente e na nossa alimentação. Foto: Shutterstock
da Pensilvânia, nos EUA, e mostra drones autônomos trabalhando em conjunto para tocar o tema de James Bond em vários instrumentos.
Pesquisas com Drones Embora a maior parte da pesquisa em Vants seja para melhorar os equipamentos em si, alguns cientistas já os utilizam para outros propósitos. Recentemente a NASA utilizou o Dragon Eye, um pequeno drone elétrico militar para fotografar e coletar amostas do fumo que saía do vulcão Turrialba, perto de São José na Costa Rica. Seria muito perigoso enviar uma aeronave tripulada para realizar tal tarefa. Vários estudos que medem as características do gelo no ártico também utilizam Vants, pois seria impossível uma aeronave tripulada voar a 30 metros do gelo, sob ventos de 150 km/h e temperaturas de 40 ºC negativos. Literalmente do lado oposto do mundo, eles são
utilizados para medir jatos de ventos no planalto antártico; as medidas ajudam cientistas a entender a dinâmica da formação do gelo em torno do continente, processo que movimenta correntes marítimas devido ao afundamento da água salgada mais densa resultante do congelamento. Na agricultura, drones já são utilizados principalmente na Austrália e Canadá, que possuem legislações mais amigáveis e menos burocráticas. Câmeras acopladas aos equipamentos podem ajudar a identificar ervas daninhas, possibilitando a aplicação de herbicidas somente nas regiões necessárias. Outros grupos de pesquisas trabalham para “ensinar” os drones a distinguir uma planta da outra para criar mapas da vegetação utilizando somente um GPS, câmera e sensores inerciais. Novos talentos estão ajudando a criar Vants mais baratos e inteligentes, assim como a descobrir novas formas de utilizar essa tecnologia.
Aparentemente, as leis que controlam voos não tripulados serão a maior barreira para expandir o seu uso tanto em pesquisa quanto comercialmente. No futuro, realizar trabalho de campo com o auxílio de drones será tão fácil que ficará até chato: eles farão tudo sozinhos. ■ Fontes: »» Emma Marris, “Drones in science: Fly, and bring me data”, Nature 498, p. 156–158 (2013) »» Kristin Majcher, “How Will We Keep Drones from Running into Things?”, MIT Technology Review, 21/01/2015 »» Chris Anderson, “Agricultural Drones”, MIT Technology Review (2014) »» Sarah C. P. Williams, “Studying volcanic eruptions with aerial drones”, PNAS 110, 27, p. 10881 (2013) »»T. Stan Gregory et al., “Drones: Balancing risk and potential”, Science 347, 6228, p. 1323 (2015) »» David Shultz, “Game of Drones”, Science 347, 6221, p. 497 (2015) »»Wesson, Kyle, Humphreys e Todd, “Hacking Drones”, Scientific American 309, 5 (2013)
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nanorobôs de
A DN texto por André Sionek
Foto: Shutterstock
Desde a invenção dos circuitos integrados na década de 60, nos acostumamos com a ideia de que a computação ocorre somente em componentes eletrônicos impressos em um substrato de silício. Por isso, a palavra nanorobô remete à imagem de uma máquina em miniatura feita de metal, plástico e circuitos integrados capaz de realizar diversas atividades por meio da computação. Porém, um nanorobô não tem nenhuma semelhança física com os robôs macroscópicos a que estamos acostumados: eles são criados a partir de DNA e RNA, as moléculas de ácido nucleico que codificam as informações genéticas dentro das células.
Cientistas já utilizaram a molécula de DNA para criar portas lógicas e circuitos simples, os blocos de construção básicos da computação; outros conseguiram dobrar a molécula para criar barris ou caixas que guardam em seu interior uma carga de medicamentos ou anticorpos. Juntando essas duas técnicas um grupo de pesquisadores construiu nanorobôs e os testou dentro de um organismo vivo. No futuro, os nanorobôs serão capazes de executar tarefas que variam desde ferramentas para diagnóstico que utilizam informações bioquímicas e fisiológicas do paciente, até a entrega de medicação direcionada somente às células que atendam a alguns critérios previamente programados. 10 | Revista Polyteck | www.polyteck.com.br
Qual a semelhança entre o DNA e um computador?
L
eonard M. Adleman, matemático e cientista da computação, realizava algumas pesquisas sobre AIDS, porém sentia que não conseguia comunicar as suas ideias para a comunidade de pesquisa. Por isso, em 1993, entrou em um laboratório de biologia molecular pela primeira vez num esforço para ampliar seu leque de conhecimentos com conteúdos mais profundos sobre o HIV e, consequentemente, aumentar o seu poder de persuasão. Lá, aprendeu vários métodos da biologia moderna e começou a trabalhar na criação de moléculas de ácido nucleico que serviriam como marcadores na produção de proteínas em uma bactéria. Leonard conta que para construir um computador, apenas duas coisas são realmente necessárias: um método para guardar informação e algumas operações simples que atuem sobre os dados armazenados. Um computador tradicional guarda informações como sequências de zeros e uns na memória e utiliza uma série de portas lógicas em seu processador para transformar diferentes entradas em uma saída previsível. O DNA consegue armazenar uma incrível quantidade de dados: todas as informações necessárias para construir e fazer o corpo humano funcionar. Os dados armazenados nas quatro letras - A, T, C e G para adenina, timina, citosina e guanina - são transformados e reorganizados rotineiramente dentro das células. Isso não lembra o funcionamento de um computador? Leonard acabou percebendo algumas semelhanças: existia matemática e computação na biologia! Em 1936, Alan M. Turing, o famoso matemático britânico - e, independentemente, Kurt Gödel, Alonzo Church e S. C. Kleene - começou um estudo rigoroso sobre a noção de computabilidade. Um trabalho puramente teórico que precedeu a invenção dos computadores em aproximadamente uma década. Para esse estudo, Turing tinha inventado a noção de um “computador de brinquedo” para a investigação matemática, hoje conhecido como máquina de Turing. Uma versão dessa máquina consistia em um par de fitas e um mecanismo chamado de controle finito, que se moveria pela fita de entrada lendo dados ao mesmo tempo em que se moveria pela fita de saída lendo e escrevendo outros dados. O controle finito era programável com instruções muito simples, qualquer um conseguiria escrever um programa que para dado um A na fita de entrada, gravaria um T na fita de saída,
e lendo um C, escreveria um G na saída. Ao ler a definição da DNA polimerase, uma enzima essencial para o processo de replicação dos ácidos nucleicos, Adleman percebeu que as similaridades entre ela e a máquina de Turing dificilmente seriam mais óbvias. Sob certas condições, dada uma cadeia de ácidos nucleicos, a DNA polimerase produz uma fita complementar WatsonCrick; ela se liga a uma fita de DNA e desliza sobre cada uma de suas bases nitrogenadas, realizando a sua leitura e “escrevendo” o seu complemento em uma nova molécula de DNA. Nesse processo, todo C é trocado por um G, e todo G por um C, cada A por um T e todo T por um A. Por exemplo, dada uma molécula com sequência GTCCATG, a DNA polimerase vai produzir uma nova molécula com a sequência CAGGTAC. As células têm utilizado o DNA por bilhões de anos para armazenar informações, e utilizam enzimas como as polimerases e ligases para operar sobre essas informações. Isto convenceu Adleman de que sim, existiam elementos suficientes para construir um computador com DNA. Mais uma importante informação torna essa similaridade realmente surpreendente: uma máquina de Turing poderia ser programada para computar qualquer coisa que fosse computável. Em outras palavras, o computador de brinquedo imaginário de Turing poderia ser programado para produzir cadeias complementares de WatsonCrick, calcular a raiz quadrada de números, jogar xadrez e assim por diante. Leonard conta que a sua primeira ideia foi criar um computador de DNA à imagem de uma máquina de Turing, com o controle finito substituído por uma enzima. Porém, como foram três ou quatro bilhões de anos de evolução que resultaram em nanomáquinas como a DNA polimerase, é extremamente improvável que exista alguma enzima na natureza que pegue informações em uma fita de DNA e calcule a sua raiz quadrada; tão difícil quanto, é conseguir criar uma molécula que realize esta função. Para contornar esse problema, os cientistas precisam trabalhar com algumas ferramentas de engenharia genética que estão à sua disposição. Em 1994, Adleman publicou um artigo na revista Science descrevendo um método para a solução de problemas combinatórios utilizando ácidos nucleicos. Hoje é considerado o “pai” da computação de DNA.
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Ferramentas da Engenharia Genética
Pareamento de Watson-Crick
Toda cadeia de DNA tem seu complemento de WatsonCrick. Duas moléculas de DNA complementares se atraem e são mantidas por forças fracas como as pontes de hidrogênio. Essa hibridização não ocorre se as moléculas não forem, ou não tiverem longas porções de suas cadeias que sejam complementares. Devido a forças eletrostáticas, as fitas se torcem uma em volta da outra, formando a famosa dupla hélice.
Polimerases
Copiam a informação de uma molécula em outra. A DNA polimerase, por exemplo, criará uma fita complementar de DNA a partir de um template. O sinal sobre onde a enzima deverá começar a executar a cópia é dado por um primer - uma, possivelmente pequena, cadeia de ácido nucleico hibridizada à molécula que será copiada. Quando um pareamento primer-template é encontrado, a DNA polimerase começa a adicionar bases ao primer para criar uma molécula complementar ao template.
Ligases
Unem duas moléculas. A DNA ligase ligará covalentemente duas bases nitrogenadas que foram colocadas próximas umas das outras pela DNA polimerase. As células também utilizam a ligase para reparar quebras nas moléculas de ácido nucleico que ocorrem quando células da pele são expostas à luz ultravioleta.
Nucleases
Cortam ácidos nucleicos. Uma endonuclease de restrição procurará por uma sequência de bases predeterminada e então cortará a cadeia de DNA em dois pedaços. Por exemplo, a EcoRI (da Escherichia coli) é uma enzima de restrição que corta o DNA após o G na sequência GAATTC. Pesquisadores sugerem que as endonucleases de restrição evoluíram para proteger as bactérias de vírus. A bactéria E. coli, por exemplo, consegue proteger seu próprio material genético contra a EcoRI, mas um vírus invasor que tenha a sequência GAATTC terá seu DNA cortado em pedaços pela enzima.
Simulação e imagens de Microscopia de Força Atômica (AFM) de estruturas criadas pela técnica de Origami de DNA. Acima um triângulo convexo, abaixo uma “bola de praia”, ambos construídos a partir de cadeias de DNA. Fonte: H. Dietz, S. M. Douglas, W. M. Shih, Science 325, 725 (2009)
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Eletroforese em gel
Técnica para separar moléculas de acordo com seu tamanho. Uma solução heterogênea de moléculas de DNA, que são negativamente carregadas, é colocada na extremidade da placa de gel e uma diferença de potencial é aplicada. As fitas mais curtas movem-se com velocidade maior em direção ao ânodo do que as moléculas maiores. Com marcadores químicos ligados às moléculas e luz ultravioleta, é possível ver bandas onde as moléculas de diferentes tamanhos pararam.
Síntese de DNA
Hoje, é possível escrever uma sequência de DNA e enviar para um laboratório de síntese comercial. Em alguns dias, você receberá um pequeno tubo com aproximadamente 1018 moléculas de ácido nucleico com a sequência encomendada.
Origami de DNA
Técnica para construir estruturas complexas a partir de longas cadeias de DNA com sequências específicas de bases. A molécula de ácido nucleico é planejada para que se dobre em alguns pontos, assim os cientistas podem criar estruturas variadas, desde triângulos e círculos até formas tridimensionais semelhantes a caixas e barris.
A sequência de imagens mostra a separação de duas fitas complementares com a técnica de DNA Strand Displacement (DSD). Fonte: Microsoft Research / Equinox Graphics
Nanorobôs de DNA
Em um artigo publicado na revista Nature Nanotechnology, um time de pesquisadores da Universidade Bar-Ilan, Israel, e da escola de medicina de Harvard, EUA, injetou vários tipos de nanorobôs em baratas vivas. Eles afirmam que a sua acurácia e controle é equivalente à de um sistema de computadores tradicional. Os pesquisadores utilizaram origami de DNA para criar caixas. Fitas de DNA mais curtas podem então "lacrar" esses contêineres, protegendo certas partes do conjunto. A estrutura resultante é capaz de executar uma tarefa simples, tal como carregar uma pequena quantidade de medicamento no seu interior e de se abrir para liberá-lo. As estruturas de DNA são ajustadas para que os movimentos das nanomáquinas sejam reversíveis
e repetitivos. Ao invés de juntar as partes do nanorobô em um conjunto de forma permanente, as cadeias são projetadas para se juntar ou descolar dependendo de sinais externos. Elas são controladas por uma porta lógica que abre em resposta a uma combinação correta de sinalizadores celulares, que se ligam a uma cadeia de detecção, tipicamente um aptâmero - uma cadeia que pode ser desenvolvida para reconhecer determinados tipos de células - causando um deslocamento das cadeia complementares. O robô sofre uma drástica mudança conformacional após a separação das fitas complementares, expondo a sua carga e tornando-a disponível para as células alvo. No design apresentado pelos pesquisadores, a porta também pode ser aberta por uma chave de DNA externa, que se hibridiza com a fita complementar nela presente, ativando
o robô. Essa chave de DNA pode ser carregada dentro da estrutura, de modo que, quando estiver ativa, a cadeia possa acessar a porta de um robô adjacente e alterar o seu estado para ativo também. Dessa forma, os cientistas conseguem criar nanorobôs com um regulador positivo (P), capazes de ativar outra estrutura, e outros com reguladores negativos (N), capazes de forçar o fechamento, ou impedir a abertura de outro robô. Foram desenhadas várias arquiteturas ao misturar robôs do tipo P e N em diferentes concentrações, na presença ou ausência de sinais vindos de proteínas cognatas. Para demonstrar a plataforma, os pesquisadores utilizaram baratas (Blaberus discoidalis) como organismos modelo. Primeiro foram testados robôs (E) controlados por uma porta que se abre somente se dois sinais (X e Y) estão presentes, emulando uma porta
Nova linguagem de programação Dispositivos moleculares feitos com DNA têm enorme potencial em aplicações que variam desde a fabricação em nanoescala até dispositivos autônomos para diagnóstico e tratamento in vivo. Esses nanorobôs permitem que a computação seja feita em escala molecular enquanto os dispositivos interagem diretamente com componentes bioquímicos de organismos vivos. Suas estruturas são estáveis dentro das células, e as suas interações podem ser precisamente controladas ao alterar suas sequências de nucleotídeos. Conforme as técnicas experimentais foram se aperfeiçoando, tornou-se cada vez mais importante o desenvolvimento de ferramentas de software e abstrações de programação capazes de levar ao desenvolvimento de circuitos computacionais sofisticados. É por isso que pesquisadores da Microsoft estão trabalhando no desenvolvimento de uma linguagem de programação chamada DNA Strand Displacement (DSD). A linguagem pode ser utilizada para o densevolvimento e simulação de dispositivos computacionais feitos de DNA. Ela permite que dispositivos sejam desenhados unicamente em termos de ácidos nucleicos, sem a necessidade de componentes adicionais. Andrew Phillips, diretor do grupo de computação biológica da Microsoft, afirma que o objetivo é criar uma linguagem na qual grandes modelos de sistemas biológicos possam ser programados a partir de componentes simples e modulares. O objetivo final é conseguir programar e simular um sistema biológico em um computador antes de implementá-lo em um organismo vivo.
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lógica AND. Depois, foram adicionados dois tipos de robôs, P1 (que se abre em resposta a X e carrega uma chave para a porta Y) e P2 (que se abre em resposta a Y e carrega uma chave para a porta X). Com esta combinação, E+P1+P2, o nanorobô E abre somente para X, ou somente Y, ou para X e Y, emulando uma porta lógica OR. Utilizando lógicas semelhantes, os pesquisadores conseguiram ainda criar portas do tipo XOR, NAND, NOT e CNOT. A arquitetura dos nanorobôs descrita pelos pesquisadores é capaz de processar dois bits de entrada por vez, entretanto as saídas de dois "processadores" podem ser transferidas a um terceiro para aumentar a capacidade de processamento do sistema. Os pesquisadores dizem que o conceito básico pode ser escalado para a capacidade de computação de antigos consoles de 8 bits, tais como o Commodore 64 ou Atari 800. Futuros trabalhos utilizando esse conceito poderão
aumentar significativamente a capacidade e eficiência dos nanorobôs de DNA para uma possível utilização em humanos em um futuro próximo. Como a presença de objetos estranhos dentro do organismo desencadeia uma resposta imunológica, a grande dificuldade dos pesquisadores será para encontrar formas de driblar o sistema imunológico ou criar nanorobôs estáveis o suficiente para sobreviver a ele. Apesar das inúmeras aplicações possíveis para a computação de DNA, ela provavelmente será melhor aproveitada para atuar dentro de células vivas, criando novos métodos de detecção e tratamento de doenças. É pouco provável que a tecnologia substitua os computadores de silício convencionais, porém dentro de cinco a dez anos poderemos ver computadores baseados em DNA sendo utilizados para propósitos médicos dentro de organismos vivos. ■
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Fontes: »» L. M. Adleman, “Molecular Computation of Solutions to Combinatorial Problems”, Science, 266, p 1021–24 (1994) »» L. M. Adleman, “Computing with DNA”, Scientific American (1998) »»Y. Amir et al., “Universal computing by DNA origami robots in a living animal.” Nature Nanotechnology, 9(5), p 353-357 (2014). »» S. Spickernell, “DNA nanobots deliver drugs in cockroaches”, New Scientist, 222, 2964, (2014) »» C. Humphries, “Nanoconstruction with Curved DNA”, MIT Technology Review, 11/08/2009 »» H. Dietz, S. M. Douglas, W. M. Shih “Folding DNA into Twisted and Curved Nanoscale Shapes”, Science 325, 725 (2009) »» L. Cannon, “What Can DNA-Based Computers Do?”, MIT Technology Review, 04/02/2015 »»A. Phillips e L. Cardelli, “A programming language for composable DNA circuits”, Journal of the Royal Society Interface, (2009) »» http://research.microsoft.com/en-us/projects/ dna/
Reatores Nucleares de
Tório Líquido texto por Raisa Jakubiak
N
a busca por novos meios de geração de energia elétrica, a única coisa de que a ciência tem certeza é: não há fonte de energia perfeita. Combustíveis fósseis são grandes emissores de gases estufa como o CO2. Hidrelétricas, apesar de apresentarem baixa assinatura de carbono, têm grande impacto ambiental devido à construção de barragens. A energia solar e a eólica são vistas por leigos como grandes amigas do meio ambiente, já que utilizam fontes existentes na natureza para a conversão em energia elétrica, mas não se engane: além dos altos custos de instalação, o custo energético também é altíssimo - demora muito tempo para que um parque eólico ou uma usina solar produza a mesma quantidade de energia gasta no seu processo de construção. Além disso, as células solares são produzidas, no que se diz respeito aos modelos comercializáveis mais conhecidos, de materiais considerados raros na
natureza. Dessa forma, essas fontes são interessantes como meios complementares de geração de energia, mas não primários. A energia nuclear é considerada uma grande vilã por ambientalistas. Apesar de, quando bem operadas, serem seguras, usinas nucleares deixam um rastro de lixo radioativo e, quando algo dá errado... bom… corra para o mais longe que puder. No entanto, a possível extinção das reservas de petróleo e a luta contra o aquecimento global, deixam claro que não será tão fácil extinguir a energia nuclear. Após Fukushima, o Japão desligou todas as suas usinas e passou a investir em formas alternativas de energia, como a futura maior usina solar do mundo: a Kagoshima Nanatsujima, na barragem Yakamura, sul do Japão. No entanto, o governo votou pela reativação de algumas usinas nucleares em junho deste ano, já que o país sofre de uma grave crise energética e passou compensar
Reator de Tório Líquido
Adaptado de: Morton/Illumin - University of Southern California
Fissão aquece o núcleo salino do reator
O sal quente aquece um gás, que gira a turbina para gerar eletricidade
Troca de calor
Turbina
Um tanque de sal líquido de tório envolve o reator, absorvendo radiação e formando novo combustível que é gradualmente fornecido ao núcleo.
Sobras de calor do resfriamento do gás são utilizadas para dessanilizar água
Se o reator superaquece, uma válvula de sal congelado derrete, deixando que o sal do núcleo seja removido com segurança. Tanque de descarga resfriado passivamente
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a falta das usinas nucleares utilizando carvão mineral – algo nada saudável para o meio ambiente. Nos últimos anos um modelo já conhecido de usinas nucleares vem sendo discutido com a promessa de minimizar, não só o problema do lixo tóxico, mas também o risco de acidentes. O uso de tório como fonte de energia surgiu na década de 1960, no Oak Ridge National Laboratory, em reatores chamados de Molten Salt Reactor (MSR), ou reator a sais fundidos. O maior motivo pelo qual ele “perdeu a concorrência” para o modelo atual de reatores nucleares (que utilizam urânio como combustível e água sob alta pressão como refrigerante) é que o seu ciclo não produz polônio como subproduto – o que na época, em plena Guerra Fria, era fundamental para o desenvolvimento de armas dos programas nucleares. Um dos maiores limitantes dos reatores atuais é trabalhar sob altas temperaturas, utilizando água como refrigerante. Para isso, é necessário que a água seja mantida em enormes tanques de aço sob altíssima pressão, mantendo-se desta forma em estado líquido a cerca de 300 ºC. O problema é que, caso haja alguma complicação no sistema de refrigeração ou uma perfuração nos tanques, a água não vai permanecer líquida a 300 ºC por muito tempo: ela se expandirá tão rapidamente que gerará uma explosão – exatamente o que aconteceu em Fukushima Daichii em 2011 e em Chernobyl em 1986. No caso dos MSR, o combustível nuclear utilizado é uma solução de sais que podem ser de lítio, berílio, tório ou urânio. Estes são chamados sais fluorados, substâncias muito estáveis e que não reagem nem com o ar nem com água. Além disso, apesar de operarem a altas temperaturas (cerca de 700 ºC), eles não precisam operar a altas pressões, o que diminui drasticamente o risco de explosões. Nos MSRs, as construções das usinas são menores e mais baratas, pois os reatores não precisam ser “enterrados” sob toneladas de aço em enormes instalações de contenção para suportar a pressão da água. Finalmente, enquanto os combustíveis nucleares sólidos derretem se não refrigerados (como no caso de uma pane no sistema de refrigeração, ou falta de energia), nos reatores dos MSR, os sais fluorados já são líquidos a temperaturas muito mais baixas. No fundo do tanque de combustível há uma tampa de material salino congelado mantido sólido por um gás a baixa temperatura transportado por uma tubulação. Caso haja uma emergência na usina, como a perda total de energia, a tubulação para de refrigerar a tampa salina, fazendo com que ela derreta. O combustível então escorre por outra tubulação para ser resfriado em um tanque de contenção desenvolvido em condições que maximizam a transferência de calor.
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Ou seja: em situações de perda total de energia, enquanto os reatores nucleares atuais tornam-se perigosos, o MSR tem a capacidade de desligar-se sozinho, sem intervenção humana. Mas onde entra o tório? O tório é um material em abundância não só na Terra, mas também em outros corpos do nosso sistema solar, como a Lua. Há quatro vezes mais tório do que urânio na Terra, e ele é extremamente denso em energia. Só a quantidade presente nas reservas dos EUA seria suficiente para fornecer energia para todo o planeta pelos próximos milhares de anos. Vale ressaltar que o Brasil tem reservas ainda maiores: cerca de 632.000 toneladas, quase 10% da reserva mundial de tório. O material é encontrado, por exemplo, nas famosas praias de areia monazítica, como Guarapari no Espírito Santo. Além disso, seus subprodutos têm meia vida mais curta, sendo considerados seguros após 300 anos de contenção – o que ainda é bastante, mas um período curto se comparado aos 10 mil anos dos subprodutos do urânio 235. Apesar deste tipo de reator ainda não ter sido completamente colocado à prova, é esperado que custe muito menos que os reatores atuais devido à sua simplicidade e menor tamanho – ao ponto que em algumas décadas poderemos ver pequenas centrais nucleares sendo carregadas por caminhões e trailers. Mais do que isso, acredita-se que essa seja a fonte viável de energia para colônias espaciais. ■ Fontes: »» Kirk Sorensen, “Thorium”, TED Talk
»W » orld Nuclear Association
»» Bryan Lufkin, “Solar Panels Floating on Water Will Power Japan's Homes”, National Geographic (2015) »“Kagoshima » Nanatsujima Mega Solar Power Plant, Japan” Power-Technology.com »»Aaron Sheldrick, “Japan aims to restart nuclear reactor in June”, Reuters (2015) »» www.energyfromthorium.com »» R.P. Siegel, “Liquid Fluoride Thorium Power: Pros and Cons”, Tripe Pundit
Materiais avançados usados no Boeing 787 somam mais de 50% do corpo da aeronave. Imagem: Boeing Research and Technology
Simulando expansão térmica nos componentes da aeronave
Simulações multifísicas
proteção de aeronaves contra raios
para
melhorar
a
Aeronaves modernas como o Boeing 787 Dreamliner são construídas com mais de 50% de composto de fibra de carbono. Esta constituição requer a adição de chapas de metal expandido para melhorar a proteção da aeronave contra raios e descargas elétricas. Para verificar se estas camadas protetoras não irão falhar sob o estresse térmico proveniente do ciclo de temperaturas durante o voo, pesquisadores da Boeing utilizam simulações computacionais multifísicas.
E
ngenheiros da Boeing Research and Technology (BR&T) estão utilizando tanto medidas físicas quanto simulações computacionais para investigar o efeito dos parâmetros das chapas de metal expandido (EMF, na sigla em inglês) no estresse térmico e no deslocamento em cada camada da construção do compósito de carbono utilizado para revestir a fuselagem de aeronaves. Ao longo do tempo, estresse se acumula na cobertura protetora da estrutura composta. Isso é principalmente resultado do ciclo de mudança de temperaturas em função da altitude durante os voos. Com o tempo, a camada protetora pode rachar, fornecendo uma entrada para umidade e elementos ambientais que podem causar corrosão do EMF,
reduzindo a sua condutividade térmica e sua habilidade de agir como proteção. Estas variações ambientais também podem gerar deslocamento, ou deslocação, que é um defeito ou irregularidade na estrutura cristalina do material. A presença de deslocamentos influencia fortemente muitas das propriedades dos materiais. O projeto é liderado por Jeffrey Morgan, do departamento de Selantes e Materiais Eletromagnéticos, e a equipe é separada em subequipes responsáveis pelas simulações e pelos testes. Através das pesquisas, a equipe almeja melhorar a estabilidade térmica em estruturas compostas e reduzir assim os riscos e os custos de manutenção associados a danos na cobertura protetora.
A estrutura composta inclui, de fora para dentro, a pintura, o primer, camada de isolamento contra corrosão, surfacer, EMF e a estrutura composta sob a cobertura. Cada uma destas camadas contribui para o acúmulo de estresse mecânico no revestimento protetor ao longo do tempo, já que todas são suscetíveis a mudanças bruscas de temperatura. Para avaliar o estresse gerado por estas variações e o deslocamento em cada uma das camadas, é necessário levar em conta um grande número de características tanto dos materiais como da estrutura e construção da camada protetora. Dentre eles estão a altura do EMF, largura do arame da malha, razão de proporção, composição metálica, além das características dos materiais de cada camada do revestimento, como o coeficiente de dilatação térmica, capacidade calorífica, densidade, condutividade térmica, módulo de Young e taxa de Poisson. Para conseguir desenvolver estes cálculos utilizando todas estas variáveis, o pesquisador Robert Greegor, do setor de Física Aplicada e líder da equipe de simulações, e seus colegas desenvolveram um modelo de coeficiente de dilatação térmica (CTE) total utilizando o software COMSOL Multiphysics®. Os pesquisadores utilizaram duas composições metálicas diferentes para o EMF: uma com alumínio e outra com cobre. No caso do EMF de alumínio, é necessário adicionar fibra de vidro entre o EMF e o composto para prevenir a corrosão galvânica (corrosão devido ao contato elétrico entre materiais diferentes, sendo que sua intensidade é proporcional à diferença dos potenciais eletroquímicos dos materiais envolvidos). O coeficiente de dilatação térmica da camada de tinta é definido por uma função degrau que representa a mudança abrupta na
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expansão térmica na temperatura de transição vítrea do material (transição reversível em materiais amorfos entre um estado duro e relativamente rígido e um estado “mole”). No modelo CTE, a interface Thermal Stress Multiphysics combina mecânica dos sólidos com transferência de calor para simular expansão, encontrando o deslocamento através da estrutura. As simulações foram restritas ao aquecimento da estrutura composta, assim como acontece na descida de uma aeronave. Desta maneira, as temperaturas inicial e final foram definidas no modelo para representar as temperaturas a altas altitudes e a temperatura no chão.
Impacto do EMF no estresse e no deslocamento
Os resultados das simulações do COMSOL foram analisados quantitativamente para determinar a contribuição do calor no estresse e o deslocamento em cada camada, assim como outras propriedades da chapa de metal expandido. Os resultados foram claros: nos gráficos obtidos pelos pesquisadores, o deslocamento sobre a malha mostrou-se diferente do deslocamento em áreas sem material. Além disso, as camadas superiores de proteção mostraram menos estresse do que as inferiores. Finalmente, notou-se que a camada de isolamento contra corrosão requerida pelo EMF de alumínio agiu como um amortecedor. Por isso, o EMF de alumínio apresenta menos estresse do que do de cobre. No entanto, apesar de
apresentar menor estresse, os resultados das simulações mostram que o EMF de alumínio tende a apresentar maiores deslocamentos na superfície do esquema de proteção do que o EMF de cobre. Isso pode ser atribuído, em partes, ao maior coeficiente de expansão térmica do alumínio. Os pesquisadores da Boeing também fizeram simulações com a intenção de compreender melhor o efeito dos parâmetros da construção do EMF no deslocamento nas camadas protetoras da fuselagem. Quando a razão de proporção da malha era variada, descobriu-se que maiores razões diminuíam o deslocamento apenas de maneira modesta – cerca de 2% tanto para o cobre quanto para o alumínio. Para qualquer parâmetro do design do EMF, é necessário considerar uma troca entre a capacidade de transportar corrente, deslocamento e peso. No caso da razão de proporção da malha, ao mesmo tempo que escolher uma malha mais aberta pode diminuir o peso e o deslocamento na estrutura, sua capacidade de transportar corrente, que é fundamental para a proteção do EMF contra raios, também é reduzida. Assim, tudo deve ser levado em conta e bem analisado. Analisando todas as opções plausíveis, os pesquisadores procuraram descobrir quais eram as melhores estratégias para manter o melhor custo benefício entre peso, deslocamento e capacidade de transportar corrente. Eles perceberam que variando a largura da malha por um fator de três ocorria um aumento de 3% no deslocamento Edição 11 Abril / Maio 2015
Vai além da sala de aula
A Polyteck é um projeto de educação e divulgação científica que busca complementar a formação dos estudantes universitários brasileiros. Informações sobre anúncios e parcerias estão disponíveis em: www.polyteck.com.br/anuncie
para ambos os metais. No entanto, ao variar a altura do EMF por um fator quatro levou a um aumento no deslocamento de aproximadamente 60% para ambos os metais. Ou seja: devido ao menor efeito no deslocamento, aumentar a largura da malha ou diminuir a taxa de proporção do EMF são estratégias muito melhores para melhorar a proteção contra raios do que alterar a altura da malha.
Relacionando deslocamento e formação de rachaduras
Greegor e seus colegas na BR&T são veementes ao relacionarem todo aumento no deslocamento a um aumento no risco de rachaduras se desenvolverem nas camadas protetoras, já que o estresse mecânico devido à variação de temperatura se acumula ao longo do tempo - experimentos confirmam essa afirmação. Seguindo estes dados, os pesquisadores concluíram que o EMF com cobre tem se mostrado uma melhor alternativa para o desenvolvimento de proteção contra raios em aeronaves. Além disso, a concordância entre os dados experimentais e os das simulações mostram que a simulação multifísica é um meio confiável de avaliar o impacto relativo dos parâmetros de construção do EMF no estresse mecânico e no deslocamento para entender e reduzir as probabilidades da formação de rachaduras no material. ■ »»Texto adaptado por Raisa Jakubiak de “Boeing Simulates Thermal Expansion in Composites with Expanded Metal Foil for Lightning Protection of Aircraft Structures”, por Jennifer A. Segui
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